同步電機的穩(wěn)態(tài)分析

1、第六章 同步電機的穩(wěn)態(tài)分析,,,同步電機和感應(yīng)電機同屬于交流電機，與感應(yīng)電機 的區(qū)別是同步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與電網(wǎng)頻率 f 之間具有固定不變的關(guān)系 ，而感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n＜ns。本章主要講述同步發(fā)電機的工作原理、電磁關(guān)系，導出基本方程、等效電路和相量圖；分析同步發(fā)電機的運行特性，以及與電網(wǎng)的并聯(lián)運行和功率調(diào)節(jié)問題。最后介紹同步電動機和同步補償機。,第一節(jié) 同步電機的結(jié)構(gòu)、工作原理和

2、運行狀態(tài)第二節(jié) 同步發(fā)電機的的空載和負載運行第三節(jié) 隱極同步發(fā)電機電壓方程、相量圖和等效電路第四節(jié) 凸極同步發(fā)電機電壓方程和相量圖第五節(jié) 同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩方程第六節(jié) 同步電機參數(shù)的測定第七節(jié) 同步發(fā)電機的運行特性第八節(jié) 同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行第九節(jié) 同步電動機與同步補償機,,,,,,第六章 同步電機的穩(wěn)態(tài)分析,,,第一節(jié) 同步電機的結(jié)構(gòu) 、工作原理和運

3、行狀態(tài),一、同步電機的基本類型二、同步電機的基本結(jié)構(gòu)三、同步發(fā)電機的工作原理四、同步電機的運行狀態(tài)五、同步電機的勵磁方式六、同步電機的銘牌數(shù)據(jù),,,一、同步電機的基本類型,汽輪發(fā)電機：高速，轉(zhuǎn)子隱極式, 細長形水輪發(fā)電機：低速，轉(zhuǎn)子凸極式, 短粗形,,,2)、定子繞組：由許多線圈按一定規(guī)律連接而成。大容量電機由于尺寸大，制成半匝式（線棒），每個線棒由若干銅線并在一起，分成一排或兩排，兩個線棒的一端焊在一起，即成一個線圈

4、。,3)、機座：固定和支撐定子鐵心，并形成風道。,二、同步電機的基本結(jié)構(gòu),(一)、隱極同步電機（臥式）,1)、定子鐵心：由0.5mm厚的硅鋼片疊成，沿軸向分成好幾疊，每疊3~6cm，疊與疊之間留有寬0.8~1cm的通風溝。,1、定子：包括定子鐵心、定子繞組、機座、端蓋等。,,,2)、勵磁繞組：用扁銅線繞成同心式線圈，嵌放在大齒兩側(cè)的轉(zhuǎn)子槽中，并用非磁性硬鋁槽楔壓緊。,3)、護環(huán)：為使勵磁繞組可靠地固定在轉(zhuǎn)子上，繞組端部還要套上用高強度非

5、磁性鋼鍛成的護環(huán)。,1)、轉(zhuǎn)子鐵心：一般用整塊的導磁性好的高強度合金鋼鍛成，轉(zhuǎn)子表面約2/3部分銑有軸向凹槽，用于嵌放勵磁繞組，不銑槽的約1/3部分形成大齒，即磁極。,2、轉(zhuǎn)子：包括轉(zhuǎn)子鐵心、勵磁繞組、護環(huán)、風扇等。,,,2)、定子繞組：大、中容量凸極電機采用波繞組，小容量凸極電機采用疊繞組。,3)、機座：固定和支撐定子鐵心，并形成風道。因直徑大，通常采用分瓣機座。,(二)、凸極同步電機（臥式或立式）,1)、定子鐵心：由0.5mm厚硅

6、鋼片疊成，因直徑大，一般采用幾片扇形硅鋼片拼成一個圓形。,1、定子：包括定子鐵心、定子繞組、機座等。,,臥式：同步電動機、同步補償機和用內(nèi)燃機或沖擊式水輪 機拖動的同步發(fā)電機。立式：低速、大容量水輪發(fā)電機和大型水泵用同步電動機。,,,3)、阻尼繞組：由插入磁極極靴槽中的銅條和兩端的端環(huán)焊成一個閉合繞組。在發(fā)電機不對稱運行時，起削弱負序旋轉(zhuǎn)磁場，抑制轉(zhuǎn)子機械振蕩的作用。,2)、轉(zhuǎn)軸：用高強度鋼鍛成。因轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)子鐵心

7、與轉(zhuǎn)軸分開鍛造。,1)、轉(zhuǎn)子鐵心：即磁極，采用T尾或鳩尾與磁軛連接，磁軛與轉(zhuǎn)軸間用轉(zhuǎn)子支架支撐著，轉(zhuǎn)子支架固定在轉(zhuǎn)軸上。,2、轉(zhuǎn)子：包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸、勵磁繞組、阻尼繞組等。,,,4)、推力軸承：懸式：推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上面的上機架上，整個轉(zhuǎn)子懸吊著。機械穩(wěn)定性好，但機組的軸向高度大，轉(zhuǎn)速較高的電機(150r/min以上)采用。傘式：推力軸承裝在轉(zhuǎn)子下面的下機架上，整個轉(zhuǎn)子被托架著。機械穩(wěn)定性差，但機組的軸向高度小，轉(zhuǎn)速較低的電機(1

8、25r/min以下)采用。,定子上裝有三相對稱繞組互差120°電角度。 轉(zhuǎn)子上安放直流勵磁繞組。,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,C,B,,,S,N,,,設(shè)轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn),紫色為流入紅色為流出,,,,ns,三、同步發(fā)電機的工作原理,當同步發(fā)電機被原動機拖動以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流勵磁電流時，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生主極磁動勢及相應(yīng)的主極磁場（包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場和主極漏磁場）。主磁場通過氣隙并與

9、定子繞組交鏈，在定子繞組中感應(yīng)出三相交流電動勢，若定子繞組帶有負載，發(fā)電機將輸出電功率。,,,,,2、電動勢的大小 三相定子繞組對稱，因此三相電動勢大小相等， 相位互差120°電角度。 設(shè) Em為相電動勢幅值，A相初相角為0°，則：,1、電動勢的波形 若主磁場的氣隙磁密沿圓周按正弦規(guī)律分布， 則定子導體感應(yīng)電動勢隨時間按正弦規(guī)律變化：,當 f =50Hz時，

10、n =3000/p。汽輪發(fā)電機： p＝1 ―― n=3000r/min；水輪發(fā)電機：例 p＝30 ―― n=100r/min。,,,同步電機的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率有嚴格不變關(guān)系，即當電網(wǎng)頻率一定時，電機轉(zhuǎn)速不變。,3、電動勢的頻率,若轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速為n，電動勢頻率為,當p＝1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，電動勢交變一次；,當p對極，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，電動勢交變p次；,,,四、同步電機的運行狀態(tài),當定子（電樞）繞組中流過對稱三相電流時，定子將產(chǎn)生電樞磁動勢及相

11、應(yīng)的電樞磁場（包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的電樞反應(yīng)磁場和電樞漏磁場）。在氣隙中均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場和電樞反應(yīng)磁場共同合成為氣隙磁場。氣隙磁場在轉(zhuǎn)子內(nèi)部深處沿著主極軸線然后逐漸扭斜，在進入定子時其軸線已偏離主極軸線一個角度，再加上電樞漏磁場，電樞合成磁場（包括主磁場、電樞反應(yīng)磁場和電樞漏磁場）與主磁場之間的夾角為δ，稱為功率角。它越大，則磁場所產(chǎn)生的切向力及電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率也越大。,,,(a) 發(fā)電機,(b) 補償機,(c

12、) 電動機,,,五、同步電機的勵磁方式指同步電機獲得直流勵磁電流的方式；而供給勵磁電流的整個系統(tǒng)，稱為勵磁系統(tǒng)。,(一)、直流勵磁機勵磁系統(tǒng)：用同軸直流發(fā)電機供給勵磁。(二)、整流器勵磁系統(tǒng)： (用晶閘管取代直流發(fā)電機電刷和換向器)1、靜止整流器勵磁系統(tǒng)：1)、他勵式：用同軸交流主勵磁機發(fā)出交流電，經(jīng)靜止半導體整流器整流后供給勵磁。2)、自勵式：(取消了交流勵磁機)取自同步發(fā)電機輸出的交流電，經(jīng)晶閘管整流后供給勵磁。

13、2、旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)： (取消了同步發(fā)電機集電環(huán)和電刷) 用同軸轉(zhuǎn)樞式交流主勵磁機發(fā)出交流電，經(jīng)同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的半導體整流器整流后供給勵磁，稱為無刷勵磁系統(tǒng)。,,,六、同步電機的額定值,1、額定容量SN (或額定功率PN ) ：額定運行時電機的 輸出功率。

14、同步發(fā)電機SN (kVA)或PN (kW)；同步電動機PN (kW)； 同步補償機SN (kvar)。2、額定電壓UN：額定運行時定子繞組的線電壓，單位為伏(V)。3、額定電流IN：額定運行時定子繞組中的線電流， 單位為安(A)。4、額定功率因數(shù)cos?N：額定運行時電機的功率因數(shù)。5、額定頻率 fN：額定運行時電樞的頻率，我國工頻為50赫(Hz)。6、 額定轉(zhuǎn)速nN：額定運行時電機的轉(zhuǎn)速

15、，為同步轉(zhuǎn)速ns； 單位為轉(zhuǎn)/分(r/min)。還有絕緣等級、允許溫升、額定勵磁電壓和額定勵磁電流等。,第二節(jié) 同步發(fā)電機的空載和負載運行,,,一、同步發(fā)電機的空載運行——空載特性二、同步發(fā)電機的負載運行——電樞反應(yīng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,C,B,,,S,N,,,一、同步發(fā)電機的空載運行 同步發(fā)電機被原動機拖動以同步轉(zhuǎn)速

16、旋轉(zhuǎn)，勵磁繞組通 入直流勵磁電流，電樞繞組開路或電樞電流為零的情況。,,,,,,,設(shè)轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn),紫色為流入紅色為流出,,ns,,,,,,,,主磁路包括氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛五部分。,,,激磁電動勢的有效值,在同步轉(zhuǎn)速下，激磁電動勢E0與勵磁電流 If 之間的關(guān)系曲線E0= f ( If )，稱為同步電機的空載特性。,,,,1、空載時的電磁關(guān)系,2、空載特性,,,,0,E0= f ( If

17、),E0,Φ0,If , Ff,,,,氣隙線,空載特性,,If0,UNΦ,電機的磁化曲線————Φ0= f ( Ff ),,,E0,空載額定電壓時主磁路飽和系數(shù),,I'f0,不計飽和時：,對稱負載時電樞磁動勢的基波對主磁場基波的影響稱為電樞反應(yīng)。,,,二、同步發(fā)電機的負載運行,,1、負載時的電磁關(guān)系,,,,,,,,,,,,,,,把主磁場 和電樞反應(yīng)磁場 疊加，即可得到負載時的氣隙合成磁場 。 （教材中

18、——把電樞磁動勢的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場稱為電樞反應(yīng)）,,A相相軸 (A相時軸),(1)、任一相的電流相量與該電流系統(tǒng)產(chǎn)生的合成磁動勢矢量重合；(2)、旋轉(zhuǎn)磁場與任一相繞組交鏈的磁通相量與旋轉(zhuǎn)磁場的磁密波矢量重合；再加上(3)、忽略磁滯、渦流影響時，旋轉(zhuǎn)磁場的磁密波矢量與產(chǎn)生它的磁動勢矢量重合；(4)、磁通與其感應(yīng)電動勢的正方向符合右手螺旋定則時，電動勢相量滯后于產(chǎn)生它的磁通相量90°。,,,,,,,復習時空矢量圖

19、：,,把時間相量圖和空間矢量圖畫在一起，稱為時空矢量圖。,對于對稱多相系統(tǒng)，在時空矢量圖中，若每一相都取自己的相軸作為時軸，則存在下列關(guān)系：,,同步發(fā)電機A相電流 達最大值時的 時空矢量圖,,,時軸,,A軸,,,,,2、對稱負載時的電樞反應(yīng),,,,,,,,,B,C軸,,,A,C,Z,X,Y,B軸,,,,,設(shè)電流尾進首出為正，,,,,(1)、電樞電流 與激磁電動勢 同相時 (ψ0=0°),,,,,,

20、,,,,,,,S,,N,,,d軸,,,,,,,(a) 空間矢量圖,(c) 時空矢量圖,(b) 時間相量圖,q 軸,紫色為流入紅色為流出,ns,,設(shè)轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn),d軸,A軸,q 軸,時軸,取主極軸線超前A相軸線90°的時刻繪圖,,,,,時軸,,A軸,,,,,,,,,,B,C軸,,,A,C,Z,X,Y,B軸,,,,,,,(2)、電樞電流 滯后激磁電動勢 90°時 (ψ0=90°),,,,

21、,,,,,,S,,N,,,d軸,,,,,,,(a) 空間矢量圖,(c) 時空矢量圖,(b) 時間相量圖,q 軸,ns,,d軸,A軸,q 軸,時軸,,,,,請同學們?nèi)相電流達最大值的時刻繪圖,,,,時軸,,A軸,,,,,,,,,,B,C軸,,,A,C,Z,X,Y,B軸,,,,,,(3)、電樞電流 超前激磁電動勢 90°時 (ψ0=－90°),,,,,,,,,S,N,,d軸,,,,,,,(a) 空間

22、矢量圖,(c) 時空矢量圖,(b) 時間相量圖,q 軸,ns,,d軸,A軸,q 軸,時軸,,,,請同學們?nèi)相電流達最大值的時刻繪圖,,,,時軸,,A軸,,,,,,,,,,B,C軸,,,A,C,Z,X,Y,B軸,,,,,,(4)、一般情況下的電樞反應(yīng)電樞電流 滯后激磁電動勢 一個銳角 (0°＜ψ0＜90°),,,,,,,,,,S,,N,,,d軸,,,,,,,(a) 空間矢量圖,(c) 時空矢量圖,

23、(b) 時間相量圖,q 軸,ns,,d軸,A軸,q 軸,時軸,,,,,,,,,,,,,,對稱負載時的電樞反應(yīng),,,,,,,,,,電樞反應(yīng)取決于 與 的空間夾角，即取決于 與 的時間夾角Ψ0。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,小結(jié)：,(1)、電樞反應(yīng)的性質(zhì)與激磁電動勢 和電樞電流的夾角ψ0(即內(nèi)功率因數(shù)角)有關(guān)。(2)、電樞反應(yīng)的性質(zhì)有交磁、去磁、增磁三種。(3)、交軸電樞反應(yīng)是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，因

24、為只有交軸電樞反應(yīng)才產(chǎn)生制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，原動機必須克服制動電磁轉(zhuǎn)矩做功，從而將機械能轉(zhuǎn)變成電能。,,,(1)ψ0＝0°時，為交軸電樞反應(yīng)，作用是使氣隙磁場軸線從空載時的直軸處逆轉(zhuǎn)向后移了一個銳角，主磁場超前氣隙磁場，主極上受到制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速降低，影響發(fā)電機有功功率的輸出。(2)ψ0＝90°時，為直軸去磁電樞反應(yīng)，作用是使氣隙磁場削弱，發(fā)電機端電壓下降，影響發(fā)電機無功功率的輸出。(3)ψ0

25、＝-90°時，為直軸增磁電樞反應(yīng)，作用是使氣隙磁場增強，發(fā)電機端電壓上升，影響發(fā)電機無功功率的輸出。,ψ0＝0°、90°和－90°時電樞反應(yīng)的性質(zhì)、作用和對電機功率傳遞的影響？,一、隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路,二、凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖,,,同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路,第三節(jié) 隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路,,,一、不考慮飽和（磁

26、路線性，可應(yīng)用疊加原理）,,,,,,,,1、電壓方程,,,,,,,,,不計飽和,,,為分析方便，引入一個反映電樞反應(yīng)磁通的參數(shù)，將電樞反應(yīng)電動勢與電樞電流直接聯(lián)系起來 。,激磁電動勢 與端電壓 的夾角稱為功率角δ,2、相量圖和等效電路,,,,,,,,,,,,,,,等效電路,相量圖,,,,,,,,,,,二、考慮飽和（磁路非線性，不能應(yīng)用疊加原理）,,,,,,1、電壓方程,,,,,,,,2、磁動勢—電動勢矢量圖,具體計算時利

27、用空載特性可直接求出氣隙合成磁動勢建立的氣隙電動勢，為此需要把基波電樞磁動勢換算到階梯形波的主極磁動勢上，即乘以電樞磁動勢的換算系數(shù)ka。,ka的意義是：產(chǎn)生同樣大小的基波氣隙磁場時，一安匝基波電樞 磁動勢相當于多少安匝階梯形波主極磁動勢。,,Ff 或 If,E0,,,,,,,,,,,,磁動勢—電動勢矢量圖,,,,,,,0,,,空載特性,F',E,,,Ff,E0,,,,,第四節(jié)

28、 凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖,,,一、雙反應(yīng)理論,凸極同步電機的氣隙是不均勻的，極弧下氣隙較小，極間氣隙較大，即氣隙磁導是變化的，同樣大小的電樞磁動勢作用在不同位置時電樞反應(yīng)將不相同。,當電樞磁動勢恰好作用在直軸或交軸位置時，電樞磁場波形是對稱的，電樞反應(yīng)不難確定。,,,一般情況下，電樞反應(yīng)既不作用在直軸也不作用在交軸，此時電樞磁場分布是不對稱的，且無法用解析式來表達，電樞反應(yīng)難于直接確定。,當電樞磁動勢既不作用在直軸也不作用

29、在交軸時，可把電樞磁動勢分解成直軸和交軸兩個分量，然后分別求出直軸和交軸電樞磁動勢的電樞反應(yīng)，最后再把它們的效果疊加起來?！Q為雙反應(yīng)理論,,,二、凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖,,,,,,,,(1)、電壓方程,,,,,,1、不考慮飽和（磁路線性，可應(yīng)用疊加原理）,,,,,,,不計飽和,,,(2)、相量圖,,,,,,,,,相量圖,,,,,,,,,,,,,,,①、相量法,②、有效值 法,,,,,,ψ0 角是 與 的夾角，畫相量

30、圖須先確定ψ0 角。 與 不能同時存在，ψ0 角是無法測出的。,注意：,,,第五節(jié) 同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩方程,一、功率方程二、電磁功率三、轉(zhuǎn)矩方程,,,,,,,,,,機械功率,電磁功率,,,,,,,,,電功率,,,功率轉(zhuǎn)換流程圖,機械損耗,定子鐵耗,雜散損耗,電樞銅耗,一、功率方程,設(shè)轉(zhuǎn)子勵磁損耗由獨立的直流電源供給,,,,,,,,,相量圖,,,,,,,,,,二、電磁功率,三、轉(zhuǎn)矩方程,,,原動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,電

31、磁轉(zhuǎn)矩,空載制動轉(zhuǎn)矩,第六節(jié) 同步電機參數(shù)的測定,,,一、直軸同步電抗Xd的測定二、短路比三、定子漏抗Xσ的測定四、直軸電樞等效磁動勢,,,一、用空載特性和短路特性確定Xd,1、空載特性,,,,0,E0,If,,,,空載特性,If0,UNΦ,氣隙線,將電樞繞組開路，在同步轉(zhuǎn)速下，測得激磁電動勢E0隨勵磁電流 If 變化的關(guān)系曲線E0= f ( If )，稱為同步電機的空載特性。（即 n = ns，I = 0時，E0= f (

32、If )曲線）,,,2、短路特性,將電樞繞組三相端頭短接，在同步轉(zhuǎn)速下，測得電樞穩(wěn)態(tài)短路電流 I 隨勵磁電流 If 變化的關(guān)系曲線 I = f ( If )，稱為同步電機的短路特性。（即 n = ns，U = 0時，I = f (If )曲線）,If,,,,,,Ifk,0,I,IN,,短路特性,,,短路時，端電壓U＝0，短路電流僅受電機本身阻抗的限制，一般電樞電阻遠小于同步電抗，因此短路電流可認為是純感性的，即ψ0≈90°

33、，電樞磁動勢基本上是純?nèi)ゴ诺闹陛S磁動勢，因此 ，于是 ，可得 I ∝ Eo 氣隙電動勢 ，可見氣隙電動勢很小，僅等于電樞漏抗壓降，因此其對應(yīng)的氣隙合成磁通很小，電機磁路處于不飽和狀態(tài)，于是 Eo ∝If，而

34、短路電流I ∝ Eo，因此I ? If，短路特性為一條直線。,為什么短路特性是一條直線？,,,Eo 應(yīng)從氣隙線上查出,,,,0,E0,If,,,,空載特性,If,氣隙線,,,,0,E0, I,If,,,,空載特性,If0,氣隙線,,短路特性,,I',短路特性,,UNΦ,E0, I,I,,E'0,,,線性磁化曲線,3、直軸同步電抗的確定,,,,,,,,0,E0, I,If,,,,空載特性,If0,氣隙線,,Ifk,I

35、9;,,短路特性,,UNΦ,IN,,二、短路比Kc,,,,三、用零功率因數(shù)負載特性確定定子漏抗Xσ和直軸電樞等效磁動勢,1、零功率因數(shù)負載特性,將電樞接到一個可調(diào)的三相對稱純感性負載上，使 ， 在同步轉(zhuǎn)速下，保持電樞電流為常值(例如I = IN)，測得同步電機端電壓U 隨勵磁電流 If 變化的關(guān)系曲線U = f ( If )，稱為同步電機的零功率因數(shù)負載特性。（即 n = ns，I =常值，

36、時，U = f (If )曲線）,,零功率因數(shù)負載的相量圖,,,,,,,,,,,表示空載時產(chǎn)生額定電壓所需的勵磁電流； 表示零功率因數(shù)負載時產(chǎn)生額定電壓所需的勵磁電流， 表示克服定子漏抗壓降所需增加的勵磁電流， 表示克服去磁電樞反應(yīng)所需增加的勵磁電流。,零功率因數(shù)負載特性的分析,第七節(jié) 同步發(fā)電機的運行特性,,,一、外特性二、調(diào)整特性三、效率特性,,,,,,,,,,,一、外特性在同步轉(zhuǎn)速下，保持勵

37、磁電流和負載功率因數(shù)為常值，測得同步發(fā)電機端電壓U 隨電樞電流 I 變化的關(guān)系曲線U = f ( I )，稱為同步發(fā)電機的外特性。（即 n = ns，If =常值， =常值時，U = f( I )曲線）,不同功率因數(shù)時同步發(fā)電機的外特性,,,電樞反應(yīng)增磁作用和容性電流的漏抗電壓引起端電壓U↑,曲線1： ，曲線下降，原因：,曲線2： ，曲線下

38、降，原因：,曲線3： ，曲線上升，原因：,,,,,,,容性負載時相量圖,,,,,,（1）I↑→電樞反應(yīng)去磁作用↑→U↓ （2）I↑→漏阻抗壓降↑→U↓,? ＝0，ψ0≠0，原因同上。,If = IfN，,,,調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，使電樞電流為額定電流，功率因數(shù)為額定功率因數(shù)，端電壓為額定電壓，此勵磁電流稱為發(fā)電機的額定勵磁電流IfN。保持勵磁電流為IfN，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速ns不變，卸去負

39、載(即I = 0)，此時端電壓升高的百分值稱為同步發(fā)電機的電壓調(diào)整率。,從外特性求電壓調(diào)整率Δu,,,,,,cos? ? cos?N,,,Δu,為使電網(wǎng)電壓不致有太大波動，要求凸極同步發(fā)電機Δu=18%~30%，隱極同步發(fā)電機Δu=30%~48%。（均為cos? = 0.8滯后時的數(shù)值）,,二、調(diào)整特性,,,在同步轉(zhuǎn)速下，保持端電壓為額定電壓，功率因數(shù)為常值時，勵磁電流 If 與電樞電流 I 的關(guān)系曲線If = f ( I ) ，稱為同

40、步發(fā)電機的調(diào)整特性。（即 n = ns，U = UN， cos? ?常值時， If = f ( I )曲線）,,,,,,,,,不同功率因數(shù)時同步發(fā)電機的調(diào)整特性,在同步轉(zhuǎn)速下，保持端電壓為額定電壓，功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時，同步發(fā)電機的效率?與輸出功率P2的關(guān)系曲線? = f ( P2 )，稱為同步發(fā)電機的效率特性。（即 n = ns，U = UN， cos? ?cos?N時，? = f ( p2 )曲線）,,,三、效率特性,,,,

41、,η,ηmax,0,,1.0,ηmax發(fā)生在(0.7~1.1)PN 空冷大型水輪發(fā)電機：ηN=96%~98.5% 空冷汽輪發(fā)電機：ηN=94%~97.8%,,,電機效率比變壓器效率低，可用直接負載法：測量P1、P2來計算效率。也可用間接法（損耗分析法）：先測出損耗 ，再計算效率。,同軸勵磁機：勵磁損耗 pcuf由P1供給

42、；單獨拖動的電動機—勵磁機組：勵磁損耗pcuf由勵磁機組供給，而與P1無關(guān)。,第八節(jié) 同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行,,,一、并聯(lián)運行二、功角特性三、有功功率調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定四、無功功率調(diào)節(jié),一、并聯(lián)運行發(fā)電廠通常采用發(fā)電機并聯(lián)運行方式，即兩臺或兩臺以上發(fā)電機的三相繞組分別接在公用三相母線上，共同向用戶提供有功、無功功率。許多發(fā)電廠再并聯(lián)起來組成強大電網(wǎng)。,,,并聯(lián)運行優(yōu)點：(1)、提高發(fā)電廠運行效率；(2)、提高供電可

43、靠性；(3)、提高供電質(zhì)量；(4)、合理利用能源，提高經(jīng)濟效益。,,,1、投入并聯(lián)的條件(1)、發(fā)電機相序應(yīng)與電網(wǎng)一致；(2)、發(fā)電機頻率應(yīng)與電網(wǎng)相同；(3)、 發(fā)電機激磁電動勢 應(yīng)與電網(wǎng)電壓 大小相等、相位相同，即 。,,,,,,,,,,,,,電網(wǎng),Q,投入并聯(lián)示意圖,,,不滿足并聯(lián)條件的后果：,(3)、頻率不等,(4)、相序不同,電壓差→強大環(huán)流→巨大電磁力(破壞繞組)和沖擊力矩(轉(zhuǎn)軸受

44、沖擊),(2)、 與 相位不同,(1)、 與 大小不等,變化電壓差(拍振電壓)→拍振電流→交變力矩(發(fā)電機振動)和功率振蕩,絕不允許并聯(lián),,,2、投入并聯(lián)的方法,(1)、準確整步法（準確同步法、準確同期法）把發(fā)電機調(diào)整到完全合乎并聯(lián)條件，然后投入電網(wǎng)，稱為準確整步。,為了投入并聯(lián)所進行的調(diào)節(jié)和操作過程，稱為整步過程。將發(fā)電機調(diào)整到符合并聯(lián)條件時，稱發(fā)電機達到同步或同期。將發(fā)電機投入電網(wǎng)，稱為并網(wǎng)、并列、或

45、并車。,準確整步法優(yōu)點：無沖擊電流；缺點：操作復雜。,(2)、自整步法（自同步法、自同期法）電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，電壓、頻率均在變化，很難調(diào)整到完全合乎并聯(lián)條件，為把發(fā)電機迅速投入電網(wǎng)，采用自整步法，事故后能迅速合閘，但沖擊電流大。,自整步法優(yōu)點：操作簡單、迅速；缺點：有沖擊電流。,判斷是否滿足并聯(lián)條件常采用同步指示器（包括同步指示燈、電壓表、頻率表、整步表等），最簡單的同步指示器由三組同步指示燈組成。檢查是否滿足并聯(lián)條件的方法：燈光

46、法和整步表法。燈光法有兩種接法：直接接法（燈光熄滅法） 交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）,,,(1)、準確整步法,,,,,,,,,,,,電網(wǎng)?,Q,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,A?,B?,C?,,,,,,,,,,,,1,2,3,待投入的發(fā)電機 f ?,,,,,,,,,,,,,,,,,直接接法的接線圖和相量圖,(a) 接線圖,(b) 相量圖,1,2,3,,ω,,ω?,,,(a)、頻率不等：三組燈

47、同時忽亮忽暗，燈光閃爍；(b)、電壓大小或相位不等：長亮不閃；(c)、相序不同且頻率不等時：三組燈輪流亮暗，燈光旋轉(zhuǎn)。在三組燈同時熄滅，且A?與A之間的電壓表指示為零時的瞬間，合閘投入并聯(lián)。,直接接法,,,,,,,,,,,,電網(wǎng)?,Q,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,A?,B?,C?,,,,,,,,,,,,1,2,3,待投入的發(fā)電機 f ?,,,,,,,,,,,,交叉接法的接線圖和相量圖,(a) 接線圖,(b) 相量圖

48、,1,2,3,,ω,,ω?,,,,,,,,,(a)、頻率不等：三組燈輪流亮暗，燈光旋轉(zhuǎn)； f ?＞f，燈光按逆時針方向旋轉(zhuǎn)； f ?＜f，燈光按順時針方向旋轉(zhuǎn)。(b)、電壓大小或相位不等：長亮不閃；(c)、相序不同且頻率不等時：三組燈同時忽亮忽暗，燈光閃爍。在燈1熄滅，燈2和燈3亮度相同，且A?與A之間的電壓表指示為零時的瞬間，合閘投入并聯(lián)。,交叉接法,,,交叉接法燈光旋轉(zhuǎn)的分析,,,,,,,

49、,,,,,,,,,(假設(shè) f ?＞f ),,,,,,,,,,,,,ω?－ω,,ω?－ω,ω?－ω,,,(a),(b),(c),,,(2)、自整步法,首先校驗發(fā)電機相序，然后將勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路，用原動機將發(fā)電機拖動到接近同步轉(zhuǎn)速時，將發(fā)電機投入電網(wǎng)，再立即加上直流勵磁，利用定、轉(zhuǎn)子磁場間形成的電磁轉(zhuǎn)矩的“自整步作用”，迅速將發(fā)電機牽入同步。,,,,,S,N,,,,,,,,,,,n,,,,,S,N,,,,,,,,,,n,自整步法的接線

50、示意圖,,,,,,,,~,~,,,,,,,,ns,,,,ns,S0,N0,,,勵磁電源,二、功角特性同步發(fā)電機接在電網(wǎng)上穩(wěn)態(tài)對稱運行時，在恒定勵磁和恒定電網(wǎng)電壓下（即E0 = 常值，U = 常值）， 發(fā)電機發(fā)出的電磁功率Pe與功率角δ之間的關(guān)系曲線Pe= f (δ)，稱為同步發(fā)電機的功角特性。,,,不計電樞電阻時的相量圖,,,Pe1,Pe,,,Pe2,0°,45°,90°,,,Pe,,δ,180°

51、;,-180°,發(fā)電機,電動機,同步電機功角特性,,,功率角的雙重物理意義,,,激磁電動勢 由主磁場 感應(yīng)產(chǎn)生，電樞端電壓 由電樞合成磁場 感應(yīng)產(chǎn)生，因此功率角δ既是激磁電動勢 和電樞端電壓 的時間相位差，也是主磁場 與電樞合成磁場 的空間相位差。,(a) 時空矢量圖,(b) 功率角的近似空間表達,電樞合成磁場由主磁場、電樞反應(yīng)磁場和電樞漏磁場合成,,,,令激磁

52、電動勢 與氣隙電動勢 的夾角為δi，因為主磁場 和氣隙合成磁場 分別超前 和 90 °，因此δi 也是主磁場與氣隙合成磁場的空間相位差，它反映了負載后氣隙磁場的位移，所以將δi 稱為位移角。,當同步發(fā)電機被原動機拖動以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流勵磁電流時，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生主極磁動勢及相應(yīng)的主極磁場（包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場和主極漏磁場）。當定子（電樞）繞組中流過對稱三相電流時

53、，定子將產(chǎn)生電樞磁動勢及相應(yīng)的電樞磁場（包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的電樞反應(yīng)磁場和電樞漏磁場）。主磁場和電樞反應(yīng)磁場共同合成為氣隙合成磁場。氣隙合成磁場分別與主極漏磁場和電樞漏磁場合成為轉(zhuǎn)子合成磁場（包括主磁場、電樞反應(yīng)磁場和主極漏磁場）和電樞合成磁場（包括主磁場、電樞反應(yīng)磁場和電樞漏磁場）。氣隙合成磁場在轉(zhuǎn)子內(nèi)部深處沿著主極軸線然后逐漸扭斜，在進入定子時其軸線已偏到氣隙合成磁場軸線處。δi 角反映了氣隙合成磁場扭斜的程度，它

54、越大，則磁場所產(chǎn)生的切向力及電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率也越大。因為激磁電動勢 與端電壓 的夾角δ≈δi ，因此把δ 稱為電機的功率角。,三、有功功率調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定,,,1、有功功率調(diào)節(jié)（設(shè)保持If =常值）分析前提：設(shè)發(fā)電機為隱極機，不計磁路飽和，忽略電樞電阻，電網(wǎng)為“無窮大電網(wǎng)”（即U =常值，f =常值）。,,ns,,ns,,n,功率角δ= 0時的相量圖,功率角為δ時的相量圖,調(diào)節(jié)原動機輸入功率就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機輸出的有功功率,

55、,,2、靜態(tài)穩(wěn)定與電網(wǎng)并聯(lián)、在某一工作點運行的同步發(fā)電機，當外界（電網(wǎng)或原動機）發(fā)生微小的擾動，在擾動消失后，發(fā)電機能否回復到原先的狀態(tài)下穩(wěn)定運行，此問題稱為同步發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定問題。如能回復，則是靜態(tài)穩(wěn)定的，反之，則不是靜態(tài)穩(wěn)定的。,A點是靜態(tài)穩(wěn)定點,B點不是靜態(tài)穩(wěn)定點,四、無功功率調(diào)節(jié),,,1、無功功率功角特性（以隱極同步發(fā)電機為例）,不計電樞電阻時的相量圖,,,,,,,,,0°,90°,δ,180°

56、,,,,,,,δA,,,,Pe,,Q,,δA?,If =常值時，增加原動機輸入功率，δA→δA? ，功率角增大，P2增加，而Q減少。因此If =常值時調(diào)節(jié)有功功率， 會影響無功功率大?。环粗?If =常值時調(diào)節(jié)無功功率，也會影響有功功率大小。,隱極同步電機有功、無功功角特性,,,2、無功功率調(diào)節(jié)（設(shè)保持P2 =常值）分析前提：設(shè)發(fā)電機為隱極機，不計磁路飽和，忽略電樞電阻，電網(wǎng)為“無窮大電網(wǎng)”（即U =常值，f =常值）。,,,,,,

57、,,,,,,,,,,A,B,C,D,,,cos? =1時的勵磁電流 If 稱為正常勵磁電流。If 時正常勵磁狀態(tài)：只輸出有功功率；I?f ＞If ，過勵狀態(tài)： 輸出有功功率和感性無功功率；I?f ＜If ，欠勵狀態(tài)： 輸出有功功率和容性無功功率?？梢?，調(diào)節(jié)勵磁電流就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的無功功率。,三種狀態(tài)相比，欠勵狀態(tài)下功率角δ較大，同步電機穩(wěn)定性差，δ＞90°時為不穩(wěn)定區(qū)，欠勵區(qū)域靠近不穩(wěn)定區(qū)，因此同步電機一般不宜在